В науке долгое время считалось, что живые организмы могут существовать
только от энергии Солнца. Жюль Верн в своем романе «Путешествие к центру
Земли» описал подземный мир с динозаврами и древними растениями. Однако
это художественная литература. Но, кто бы мог подумать, что найдется
обособленный от энергии Солнца мир с абсолютно не похожими живыми
организмами. И найден он был на дне Тихого океана.
В 70-х годах было совершено открытие, которое перевернуло многие
представления ученых. Возле Галапагосских островов на глубине от двух до
четырех тысяч метров были обнаружены разломы. И на дне были обнаружены
маленькие вулканы - гидротермы. Морская вода, попадая в разломы земной
коры, испарялась вместе с различными полезными ископаемыми через
небольшие вулканы высотой до 40 метров. Эти вулканы назвали «черными
курильщиками» из-за того, что вода выходила из них черного цвета.
 |  |
Гидротермальные источники срединно-океанических хребтов (также известные как «чёрные курильщики», black smoker) — действующие на дне океанов многочисленные источники, приуроченные к осевым частям срединно-океанических хребтов. Из них в океаны поступает высокоминерализованная горячая вода под давлением в сотни атмосфер. Представляют собой трубообразные образования, достигающие высоты в десятки метров, устойчивость которых обеспечивается сниженным действием силы тяжести под водой.
Общие сведения
Гидротермальные океанические источники выносят растворённые элементы из океанической коры
в океаны, изменяя кору и внося весьма значительный вклад в химический
состав океанов. Совместно с циклом генерации океанической коры в
океанических хребтах и её рециклирования в мантию
гидротермальное изменение представляет двухэтапную систему переноса
элементов между мантией и океанами. Рециклированная в мантию
океаническая кора, видимо, ответственна за часть мантийных
неоднородностей.
Оазисы жизни
Гидротермальные источники являются своеобразными «оазисами жизни» в глубинной афотической зоне океана, существующих не на основе фотосинтеза, а хемосинтеза хемосинтезирующих бактерий. Это среда обитания необычных биологических сообществ, обеспечивающих формирование независимых экосистем. Таким образом, к ним приурочены самые глубокие части биосферы, достигающие глубины 2500 метров и более.
Вклад в тепловой баланс Земли
Гидротермальные источники вносят значительный вклад в тепловой баланс Земли.
Под срединными хребтами мантия подходит наиболее близко к поверхности.
Морская вода по трещинам проникает в океаническую кору на значительную
глубину, вследствие теплопроводности нагревается мантийным теплом и
концентрируется в магматических камерах. Далее внутреннее давление перегретой воды в камерах приводит к выбросу высокоминерализованных струй из источников на дне.
Их суммарный вклад в тепловой баланс Земли составляет около 20 % от
всего выделяемого геотермального тепла — ежегодно чёрные курильщики
извергают порядка 3·109 тонн высокоминерализованной разогретой до 350 °C воды, и порядка 6·1011 тонн — низкотемпературные источники (выше 20 °C).
Примечания
- Наряду с «чёрными курильщиками» ещё различают «белых курильщиков», которые извергают более светло-окрашенные растворы и взвеси минералов, содержащие в большом количестве барий, кремний и кальций. А ещё - «серые курильщики». Они отличаются химическим составом и температурой «дыма»: самые холодные – белые курильщики (до +200°С), температура серых – до +300°С. Курильщики на дне океанов и морей создают уникальные условия для уникальной жизни, «оазисы» которой встречаются в самом сердце океанов – буквально в морской бездне.
- Наиболее глубокие курильщики из обнаруженных располагаются на глубине 5000 м в Каймановой впадине
Эти белые курильщики были встречены в западной части Тихого океана во
время экспедиции, организованной Национальным управлением океанических и
атмосферных исследований США в 2004 году. Фото с сайта: http://kremlin-kremlin.ya.ru/ http://ukhtoma.ru/ Белые братья чёрных курильщиков
Жизнь в чёрных курильщиках
Мы уже знаем, что представляет из себя чёрный курильщик. На дне океана в рифтовых долинах срединных океанических хребтов сквозь толщу коры вырываются под давлением струи очень горячей воды. Это та вода, которая по трещинам проникла в океаническую литосферу и там разогрелась за счёт вулканического тепла до 300–400 градусов. По пути в ней растворилось много сероводорода, сульфидов и оксидов металлов, твёрдые частицы которых, выпадая при охлаждении воды, придают ей черную окраску. Поэтому вырывающиеся из литосферы струи воды напоминают клубы чёрного дыма, за что они и получили своё название. Постепенно в процессе охлаждения твёрдые частицы оседают и формируют вокруг водяных фонтанов конические трубы. Их высота достигает нескольких десятков метров. Пейзаж напоминает огромную фабрику на дне океана, из многочисленных труб которой валит чёрный дым.
Сверху из трубы чёрного курильщика вырываются струи чёрной воды, чья температура достигает 350 ℃. Ниже на рудной сульфидной постройке находятся бактериальные маты, а ближе к основанию трубы — колония вестиментифер. У подножья трубы живут крупные двустворчатые моллюски.
Рис. 1. Схема строения чёрного курильщика.Серьезные исследования чёрных курильщиков стали возможны только после создания специальных глубоководных управляемых аппаратов. Миниатюрные подводные лодки позволили исследователям погружаться на глубины в несколько тысяч метров, своими глазами видеть дно и собирать образцы грунта с помощью механических манипуляторов. И тут океанологов ждал сюрприз — в рифтовых зонах на огромной глубине были найдены настоящие оазисы с богатой фауной. Обычно на больших океанских глубинах, куда никогда не проникает солнечный свет, численность и биомасса животных очень малы. А рифтовые зоны с их горячими вулканическими газами и высокими концентрациями ядовитых химических соединений тем более, как казалось, должны быть долинами смерти среди и так не слишком богатых жизнью морских глубин. Однако первые же фотографии, сделанные исследователями через иллюминаторы подводных аппаратов, показали колоссальное обилие живых существ вокруг курильщиков. Все вместе они образуют вокруг курильщика целостную иерархическую экосистему, в которой различные виды животных связаны между собой питательной цепочкой. В самой верхней части дымохода курильщика температура равна примерно 350–200 градусов. Там практически никто не живёт.
Пониже, где стенки трубы имеют толщину 4–6 см, а температура равна 100–120 градусам, живут бактерии. Сплетения миллиардов бактериальных клеток, способных, как ни странно, выживать при столь высоких температурах, образуют так называемые маты или подушки площадью до нескольких квадратных метров и толщиной в несколько сантиметров.
Ниже, при температуре 50–80 градусов, бактерии вытесняются помпейскими червями. Это единственные животные на Земле, способные выживать при таких высоких температурах. Тело червя находится в трубке и имеет длину около 12 сантиметров. Они окрашены в ярко-красный цвет, что обусловлено чрезмерно высоким содержанием гемоглобина в их крови. Ученые назвали их помпейскими червями потому, что они, как и жители древних Помпеев в Италии, живут на краю вулкана, который может в любое мгновение погубить их. Сверху на них постоянно сыпется «пепел» курильщика. А между помпейскими червями ползают мелкие кольчатые черви, которые выискивают покинутые хозяевами пустые трубки, чтобы поселиться в них.
 |  |
Рис. 2. Помпейский червь.
Помпейский червь, живущий на стенке чёрного курильщика, – весьма совершенное и высоко организованное существо. Фото с сайта: http://ru.abfs.lv/tm/black-smokers
Ещё ниже, в отдалении от устья курильщика, там, где температура опускается ниже 40 градусов, видны сплетения белых трубок гигантских (до 2,5 м) червей с ярко-алыми щупальцами. Эти черви живут в хитиновых или белковых трубках, которые нижней частью прикреплены к поверхности трубы курильщика. Их алые щупальца, наполненные кровью, висят сверху наподобие бороды. Отсюда и название такого типа червей: погонофоры — несущие бороду. А открытую на чёрных курильщиках разновидность погонофор назвали вестиментиферами.
 |  |
Рис. 3. Вестиментиферы.
Далее пространство вокруг трубы курильщика на несколько десятков метров заселено огромными двустворчатыми моллюсками длиной 30–40 сантиметров. Между моллюсками и в зарослях трубок ползают тысячи белых крабов и слепых раков, миллионы креветок и т. д. Всего открыто около 500 различных видов животных, и для 80 % из них нет аналогов на поверхности океана.
Рис. 4. Гигантские двустворчатые моллюски.
На вершине экологической пирамиды курильщиков находятся хищники — глубоководные осминоги и хищные рыбы термарцесы (адские церберы). Медленно и уверенно плавают они вокруг в поисках крабов или креветок на обед.
 |  |
Рис. 5. Термарцес Цербер (адский цербер) - Thermarces cerberus.
Красота и богатство сообществ черных курильщиков, резко контрастирующие с бедным и однообразным населением ложа океана, так поразили исследователей, что некоторые из гидротермальных оазисов называются в научной литературе весьма поэтично: «Райский сад», «Розовый сад» и т. п. Но возникает вопрос: каким образом поддерживается жизнь в этих райских садах, куда не проникает солнечный свет и которые полны ядовитых с нашей точки зрения веществ? Это сероводород, сульфиды тяжёлых металлов, углекислый газ и т. д. Их концентрация в водах курильщика превышает концентрацию в обычной морской воде в сотни миллионов раз. Для наземных организмов и тех, что живут в океане в поверхностном слое, это было бы смертельно. А животные курильщиков спокойно выживают в такой среде. Добавим к этому высокие температуры и сверхвысокие давления, царящие на глубине океана. Сейчас учёные уже знают ответ на этот вопрос.
Оказалось, что основой жизни в курильщиках являются бактерии. Эти бактерии не совсем обычные. Сами они живут за счёт того, что поглощают из воды сероводород и перерабатывают его химическим путём. Эти химические реакции идут с выделением энергии подобно тому, как при горении топлива выделяется тепло. Дальше с помощью этой энергии бактерии синтезируют из углекислого газа и воды питательные органические вещества, подобно тому, как это делают растения в наземных сообществах. Только растения используют для этого не химическую энергию, а лучистую энергию солнца. Процесс образования питательных органических веществ в зелёных частях растений из углекислого газа и воды с помощью солнечной энергии называется фотосинтезом. В отличие от этого, способ синтеза питательных органических веществ бактериями за счёт энергии химических реакций получил название хемосинтез. Эти питательные вещества в первую очередь поддерживают жизнь самих бактерий. Затем бактериями питаются другие, более крупные и высокоорганизованные члены сообщества.
Конечно, не все обитатели гидротерм питаются бактериями напрямую. Система устроена сложнее: имеется лишь несколько таких видов. В Тихом океане это вестиментиферы и различные виды двустворчатых моллюсков. В Атлантике распространены креветки римикарисы. Они лишены обычных глаз, зато у них развился специальный орган — термоглаза, — работающий в инфракрасном диапазоне и позволяющий видеть струи кипятка.
Рис. 6. Скопление креветок. При увеличении видны белые термоглаза.
Что творится в Индийском океане — ещё не совсем понятно, потому что первые гидротермальные поля найдены там буквально только что, но римикарисы на них тоже есть.
Конечно, просто собирать бактерий всем эти видам неудобно, потому что бактерий на гидротермах хотя и много, но не всегда и не везде. Поэтому надёжнее самим культивировать их где-то под рукой. А именно — на или в собственном теле. Двустворчатые моллюски разводят бактерий в жабрах. Креветки римикарисы растят бактериальные огороды прямо на собственных ротовых конечностях и по мере надобности счищают их в рот. Дело это тяжёлое: бактериям нужна максимальная концентрация всякой химии, а она там, где струи гидротермального флюида ещё не разбавлены придонной водой. И поэтому очень, очень горячие. Креветки лезут пасти своих бактерий в самые чёрные дымы, балансируя на тонкой грани: пролез слишком близко — сварился, не достаточно близко — сидишь голодный. Поэтому среди римикарисов то и дело попадаются особи с обожжёнными ногами и антеннами. Тут и важно, насколько хорошо «видят» термоглаза этих животных.
Но хитрее всех устроились вестиментиферы. При их изучении было обнаружено, что во взрослом состоянии у них нет ни рта, ни кишечника. Как же они питаются? Оказалось, что в туловище у вестиментифер есть особый орган — «трофосома».
Рис. 7. Препарированная вестиментифера.
Электронно-микроскопические исследования показали, что крупные клетки трофосомы содержат миллиарды бактерий. Получается, что вестиментиферы выращивают бактерии прямо внутри своего тела.
Как же сероводород и углекислый газ, необходимые для питания бактерий, попадают в глубину тела вестиментифер? Оказалось, что оба вещества транспортируются кровеносной системой вестиментиферы, которая содержит две системы капилляров: одну в щупальцах, а другую в трофосоме. С помощью кровеносных сосудов организм-хозяин поглощает из воды и доставляет бактериям сероводород и углекислый газ, а также необходимый для дыхания кислород. Бактерии, защищенные внутри организма хозяина от неблагоприятных воздействий, получают от него сероводород и кислород. Хозяин время от времени поедает часть непрерывно размножающихся бактерий. С бактериями он получает органические вещества, которые и служат единственным источником питания вестиментифер. Таким образом, сожительство бактерий и вестиментифер является взаимовыгодным симбиозом.
Ну а дальше на сцене появляются хищники — те, которые питаются червями и креветками. Это, как уже упоминалось, осьминоги, хищные рыбы и др.
Но вестиментиферы не рождаются сразу такими. Исследование яйцеклеток вестиментифер показало, что бактерий в них нет и, следовательно, бактерии от матери к потомству не передаются. Откуда же берутся бактерии, живущие в клетках трофосомы вестиментифер? Ответ на этот вопрос удалось получить в результате изучения личиночного развития вестиментифер. Оказалось, что их личинки имеют нормально развитый рот и кишечник. В течение нескольких суток они плавают в толще воды с помощью венчика ресничек, затем опускаются на субстрат и ползают по поверхности грунта. Личинки заглатывают хемосинтезирующие бактерии из внешней среды, заражаются ими, после чего пищеварительные органы у молодых вестиментифер отмирают, а кишечник превращается в орган бактериального питания — трофосому.
Вот и получается, что главными действующими лицами, за счёт которых поддерживается жизнь в чёрных курильщиках, являются именно крохотные бактерии-труженики.
Рассказ доктора Susan Humphris о гидротермах на дне океана, о том как они образуются и зачем их изучать:
Источник http://www.whoi.edu/
Комментариев нет:
Отправить комментарий